프로그램을 통한 수치해석 - 입력값 – 불연속면 정보 – 파괴가능 블록산정 – 안전율 확인 및 지보설정 – 계산 - 평사투영법을 통한 절리정보 입력 : 블록형태 확인 및 절리 묘사 - 3차원 기하학 형상으로 키블록 확인 및 표준지보패턴 변경 - 쐐기파괴, 슬라이딩, 낙하 등 - 역해석을 통한 안정성 확보
블록의 분류 - 유한블록, 무한블록 (경계면 등의 차이) - 거동 가능 및 불가능 블록
장단점 - 블록 발생 범위 및 방향성 제시 – 지보패턴의 적용 - 사고예방 및 취약부 관리 가능 - 암반을 강체로 가정하여 암반 자체 내부의 응력을 고려하지 못함. - 심부의 높은 지압의 암반 자체의 안정성 확보에 대한 의문 - 무한한 절리면의 가정으로 현장 분포와 다를 수 있음. (평사투영법, 프로그램으로 보완 가능) - 빈도 등 안정설계를 위한 모든 정보를 제공하지는 못함.
연약지반 상의 성토 및 굴착 - 시공 단계를 고려한 안정해석 - 응력-변형 해석 - 유한요소 해석 활용
태극기...
지반 모델링, 초기 Parameter - 전단 Parameter : c, pi - 안전측으로 간주하고 UU 해석 (pi=o)을 관행적으로 진행하고 있음. - Plaxis 8.2 (연약지반 수치해석 유한요소)
양화대교는 2개로 나뉘어져 건설되었. 아니 증축
초기 지중응력 (Initial stress condition, In-situ stress) - UU, CU parameter 적용. - Mohr-Coulomb 해석 (or Modified Cam-Clay 모델 = 탄성 변형경화 소성 거동) - 조건의 예시 1) pi=0, Ko=1.0 2) pi=0 or CU 시험, Ko = 1 – sin (pi) - pi=0 이 무조건 보수적이라고 생각하지만, 굴착시 UU 강도가 CU 보다 클 수도 있음.
시간이 걸리더라도 삼축압축시험의 결과, 실제 상황과의 유사성을 고려한 설계 Parameter 입력을 통해 초기 지중응력을 계산할 필요가 있음.
핵석층의 정의 - Corestone-bearing saprolite - 절리의 간격이 큰 경우 풍화작용에 의하여 형성되는 지층. (화강암) - 절리에 의한 구분 후 둥글게 풍화된 암괴
핵석층의 특징 - 풍화암 사이에 존재 - 동그란 덩어리 형태로 존재 - PFC(Particle Flow Code) 이용. - 압축시험을 통해 응력-변형량 곡선, 구속압을 통해 최대강도를 구하고 Mohr 원을 작도 -> 점착력, 내부마찰각, 50% 의 최대강도에 해당하는 응력-변형량 곡선을 찾아 탄성계수 산정. - 핵석의 포함 비율에 따라 차이 - 굴착 시 다른 굴착기법 적용 필요. (착암기 등)
갱구부 설계일반 - 면벽식, Bell Mouth 식 - 갱문-갱구보강부로 구분 - 1.5D 의 토피 확보 필요. (Min.)
- 고려사항 – 비탈면 안정성, 지내력, 지하수위, 터널 자체의 안정성, 누수/결빙 가능성, 편토압 여부 - 유지보수와 관련된 안전시설 확보 - 갱문구조물과 본선 터널의 접합부는 분리구조 : 적합한 조인트 설치 필요. 방수 고려. - 원지반 훼손 최소화 검토, 개착터널 계획 필요성 고려.
저토피 토사터널 - 선지보 네일공법 (현이앤씨, http://henc.co.kr/) 1) 시공원리 아칭효과 발현 불가, 일반적으로 파이프루프, 그라우팅공법 적용 천층터널/토사터널에 적용 개착시공의 리스크 (비용, 환경) 저감 계획굴착선을 향해 선지보 그라우팅을 시공
지압판 설치에 따른 하중분배, 강봉의 인장력으로 내공 변위 최소화, 천단 붕괴나 침하 최소화, 토피 구간의 일체화.
2) 시공순서
3) 시공 확인 계측 그라우팅(네일링) 시공 후 터널 거동의 분석 (굴착전, 굴착중) 일상계측, 정밀계측 고려. 시공 중 계측에 따른 역해석으로 지보패턴 확인 및 변화 수치해석과 연결 (MIDAS GTS 등) 하여 그라우팅-지반-강관 의 상호 관계에 따른 부등 침하/ 부등 변위 확인 필요.
투수성 반응벽체를 활용하여 오염을 막을 수 있음. 침출수 : 강우에 의해 발생. 유량이 일정하지 않고 간헐적으로 발생. 독성 중금속이나 혐기성 분해에 따른 메탄/황 등의 성분 함유. 수질오염 방지를 위해 차수재를 이용한 매립, 복토, 식재 등 적용. 지하수 오염 방지.
순서 : 강우 -> 물의 침투(Infiltration) -> 오염 및 침출수 발생 -> 투수성반응벽체 (PRB, Permeable Reactive Barrier) : 원위치 오염방지 구조물.
- 자연구배를 통해 오염지하수 유도. - 별도의 처리시설이 없어 경제성, 안정성 - 오염물질에 따라 반응물질을 적용할 수 있는 유연성, 다양성 - 부산물 등의 추가 오염물질 발생이 없어야 함. - 공극 막힘등이 발생하지 않도록 시험 시공 필요. (모사실험) – 제거율, 효율 확인. - 연속벽체 형태, Funnel 형태(불투수벽체를 Funnel 형태로 만들어 유도) - 오염원의 위치가 불명확하더라도 적용 가능. - 연직차수와 반응벽체의 조합 - 꾸준한 연구와 적용사례를 통한 심화 적용 가능.
2. 모노파일 : 토사지반. 피로하중 문제, 파일 부식 문제 3. Jacket : 연약층, 가벼우며, 강성이 우수, 파력 하중 면적이 적음. 4. Tripod : 대용량 터빈, 전도 저항성 우수
구조물의 특성 : 수평하중이 크고 반복적임. (조류, 바람, 파랑 등) 지지층이 깊어 모멘트가 큼.
안전성 검토 1. 지반의 액상화 가능성, 장기침하, 측방유동, 사면안정, 세굴에 대한 안정성 검토 필요. 2. 모노파일의 경우, 지지력/변위 확인을 위한 FEM, FDM 사용 필요. A. FDM : 유한차분해석 : 미분방정석에 대한 근사화. 비선형 해석, 유체해석에 적용. 적용 용이. 유한개의 점들 사이에서 변화를 이용한 행렬방정식. FLAC B. FEM : 유한요소해석 : 미분방정식의 해법에 대한 근사화. 컴퓨터 프로그램 필요. 선형으로 가정, 물리적으로 타당한 해. Plaxis 3. 지지력/활동/전도 4. 처짐
5. 말뚝의 지지력과 수직/수평변위 6. 반복하중에 의한 지반 강성 감소 정도 확인. (반복삼축압축시험 반영) 7. Jacket Pile 의 경우 Suction 적용. 기초 내외부의 수압차를 활용. (깊지 않은 경우, 구경이 큰 경우, 상부밀폐, 하부개방인 경우)
LRFD 1. Limit state 의 정의 : ULS(극한), SLS(사용), FLS(피로) 2. 재료에 의한 안전계수와 하중계수를 복합적이고 확률적으로 적용.
단순 한계평형, 내공변위 해석 및 계측에 의한 역해석에서 수치해석을 적용하게 되면서, - 탄소성모델, 점탄성모델, 점탄소성모델 등 적용 가능 - 지반의 이방성, 불균질성, 비선형성, 불연속성 등 재료의 특성도 반영하여 해석 가능 - 시공 단계별 Simulation 가능 – 거동 예측
Kirsh 의 해 : 원형에만 적용 가능 - 응력의 재배열. 탄성영역/소성영역 구분 및 소성평형 - 초기 (r=a) 와 K0 값의 변화에 따라 탄성변형. (측벽과 천단부) 측벽 변형량이 더 크다. - r/a 가 커질수록 (소성영역에서 탄성영역으로 갈수록) K0 는 전단과 수직응력이 1:1로 수렴(K0에 관계없이)
해석모델의 종류 1. 유한요소법 - 요소와 절점으로 구성하여 - 응력-변형률 관계를 이용한 해의 정의 - 복잡한 지반조건의 해석, 불균질성 해석, 시간의존성 해석 가능 - 시간이 오래 걸리고, 저장량이 필요하며, 모델을 작성하는 사람의 숙련도나 지식이 필요. - 경계조건 설정이 중요함. 2. 유한차분법 - 유한요소법과 비슷하나, 미지수의 해법이 시간 단위의 기준으로 동적해석이나 시간당 변화량 등에 적용됨. - 계산 시간이 짧고 저장용량이 적으며 미소변형 뿐 아니라 대변형의 해석이 필요. 3. 경계요소법 - 마찬가지로 지반을 연속체로 간주하고 - 경계부분만 해석하고, 선형 거동에 유효한 해석방법 - 시간의 변수 등을 적용하기 어려움. 4. 개별요소법 - 지반을 각각의 강성블록으로 생각하고 진행. - 핵석을 떠올리고 - 절리의 변위가 블록 자체의 변위보다 큰 경우 적용 가능. 5. 혼합법
수치해석은 경험적 방법(RMR, Terzaghi, Q-system 등) 과 비교될 수 있다.
불연속면 - 원인 : 지반변동에 의한 압축 및 인장, 기상작용에 의한 퇴적 및 침식(풍화), 지열에 의한 가열팽창 및 냉각수축 - 종류 : 응력에 따른 절리(Joint), 퇴적면의 경계 층리(Bedding), 변형작용으로 층리를 따라 평행 또는 방사상으로 할렬되는 벽개(Cleavage), 변성암에서 생기는 편리(Schistosity) - 형상 : 완전 분리되는 균열(Fissure), 이동한 흔적의 단층(Fault), 층리면 분리 성층, 단층면의 확장 파쇄대/구조선, 암반의 지각운동 소성유동의 습곡
암반 분류 - 강도 : 하지만 불연속면의 크기와 방향에 따라 강도 측정이 무의미해질 수 있음. - 탄성계수 - 풍화정도 - RQD (CSIR), Q system(NGI) (RQD-암반지지력 그래프, RQD-탄성계수 그래프, RQD-지보방법(No support-RB/SC-Rib support 그래프) - 절리간격 : 3.0m solid, 1.0m Blocky/Seamy, 5cm Crushed
암반 하중 (터널) - Terzaghi (Arching Effect)
- Rose 에 의해 수정된 암반하중 (Terzaghi Rock Load Classification)
RQD 에서 확장하여 터널/지중구조물 상단의 하중 고려방식 결정(터널폭/높이에 따름.). 그에 따른 지보형식을 고려. Terzaghi 의 접근이 보수적인 것으로 판단하여 50% 가량 감소하여 접근
- Lauffer 분류 : Active Span (Unsupported Rock) 과 자립시간 (Stand up Time)의 개념을 고려함. - RSR (단층, 종류, 방향, 절리빈도, 지하수) = 0.77 RMR + 12.4 - RMR : 기본적으로 연암/경암의 절리 구분을 위함이고, 유동성/팽창성에 부적합 지보하중 P = (100-RMR)/RMR x rB = rHt E = 2 x RMR -100 or 10(RMR-10)/40 (Gpa). 60이면 20 Gpa, 30이면 5 정도. (반보다 작은 값이다 정도) - 점하중은 일압강도의 4% 정도로 보면 됨. - Q-system : 9lnQ + 44 - De = B/ESR (ESR : 일시채굴 3~5, 영구채굴 1.6, 발전소 1.0, 지하철도 0.8) 무지보 굴진장 = 2(ESR) x Q^0.4 RB L = (2+0.15B) / ESR E=25logQ (Gpa) (Q = 100 이면 50) 영구지보압력 Pproof = (2.0/Jr) x Q ^ (-1/3)
사전 조사로 정확도/중요도를 확보하기 어려우니, 굴착을 해 나가면서 지속적인 계측을 통해 역해석법으로 시공중 재검토를 하는 것이 중요. 암반 분류 -> 터널형상, 지보패턴, 굴착방법 결정.
1. 구조물/지반조건 조사 - 발파영향권 분석 (허용기준치, 진동추정), 무진동 적용여부 결정 - 발파설계 (발파패턴, 발파공법, 예상공사비)
2. 시험발파 : 결과분석 (진동추정식 확인, 지발당 장약량 산출)
발파진동공식 (V = K D/W, 발파의 전파경로를 예측할 수 있는)
시험발파계획 : 중요도 및 위험요인 고려, 화약기술사/발파전문가 참여
시험발파방법 : 지발당 장약량 고정, 계측점 변경 – 거리에 따른 감쇄지수 파악 거리별 계측, 30개소 이상 계측치를 통해 심발공/확대공 구분하여 분석
분석방법 : 측정된 진동값의 회귀분석을 통해 진동 추정식 확인 및 계수 조정 (발파진동, 폭풍압, 장약량, 진동, 비산 변수)
유의사항 1) 인근 구조물 거리에 따라 영향을 주지 않기 위해 지발당 허용 장약량 고려 (kg/Delay) 2) 천공장, 천공오차, 실제저항선, 천공간격, 장약량, 장약장, 전색장 설계값 결정
3) 기존 구조물의 형태, 노후정도, 균열상태 미리 확인하여 사후 계측을 통해 영향 파악.
진동에 대한 계측 - 직교하는 세 방향의 진동 감지
- 주요 진동수 대역의 진동에 대해 선형적 계측 - 진동속도, 가속도 또는 변위의 방식으로 접근(진동 속도가 가장 합리적) - 변위 : 속도의 적분 - 진동의 최대값(최대 진폭)과 탁월 주파수의 기록
* 탁월 주파수(탁월 주기) : 특정 주파수(주기)를 갖는 진동은 증폭되어 지표면에 크게 전달됨. (지반의 종류에 따라 증폭계수를 곱하여 하중 고려) 지반과 관련되며, 상시미동을 관측/해석하면 탁월주파수와 지반의 고유 진동 특성을 알 수 있다. - 상시계측을 통한 발파 진동 추정식 확인 및 수정 – 발파 영향범위에 영향.
3. 무진동여부 결정 or 발파공해 저감대책 적용 - 장약량조절 (비전기식 뇌관, 다단식 발파로 시간차 조절, 방진공 천공, 방호시설 설치)
4. 발파 설계 및 확정 - 폭약의 종류 및 장약량 - 뇌관의 종류 및 배열방법 결정 - 이격거리별 발파패턴 확정
5. 시공 및 계측관리
최근 진동, 소음 관린 기준치가 분쟁조정위원회 결과 등에 따르면 강화되고 있음. - 축사에 대한 발파허용기준 엄격 - 진동제어발파공법 적용하더라도 준수하기 어려움 (0.09~0.1 cm/s) - 적절한 경험식 등을 통하여 환경영향평가에서 협의할 필요.
1. 진동추정식, 소음예측식 (D/W 의 공식으로)
2. 폭약선정 A. 민원, 암반손상 방지, 지하수 여부, 제조 및 사용에 안전한 폭약 선정 B. Dynamite(위력 좋음), Emulsion(내수성 좋음, 진동/소음제어), ANFO(Ammonium Nitrate Fuel Oil Explosives, 초유폭약) C. MS(Milli Second, 20ms~380ms 19단계)/LP(Long Period, 100~500ms) 지발.
3. 뇌관선정 A. 제어발파 가능, 시공 유리, 누설전기 유무에 따른 선정 B. 전기식(전기에너지, 진동/소음 제어), 비전기식(충격에너지, 고가), 전자(전자회로, 고가)
4. 천공장비 A. 작업장 규모, 발파여건, 시공성 고려 B. 필요 시 소형 천공장비 C. 인력, 공압, 유압(소규모~대규모, 천공심도 큼)
5. 발파공법 A. 기계식, 플라즈마(저공해, 공사기간 증가/피암보호공 필요), 화약(시공속도 빠름/파쇄율 우수, 진동/소음 문제, 이격거리 고려 필요.)
설계순서 허용기준치 설정 -> 보안시설물과의 이격거리기준 확인 -> 진동식에 따라 진동수준에 맞는 장약량 결정 -> 표준발파패턴선정 -> 발파공법선정 -> 시험발파 ->최종설계 및 계측
뇌관 - 비전기식/전기식/전자/공업
발파의 문제점 - 소음/진동 : 사질토 침하발생, 액상화, 주변암반 손상
발파의 일반 - 3.5m 천공장 기준 굴진률 85~95%. 굴진장에서 천공장 가산길이를 10~15% 적용하는 것이 좋음. - 심발공 면적 2m2 정도, 5~7kg/m3 장약 - 제어발파
- 진동특성 : 발파로 인해 발생하는 에너지 중 0.5~20%가 탄성파로 변화되어 발파진동으로 소비됨. 탄성파는 지반 속으로 전파되면서 지면에서는 진폭과 주기를 갖는 진동이 됨. - 진동의 영향인자 : 암반의 조건에 따름. (압축강도와 탄성파 속도 비례), 심발공>바닥공>확대공>외곽공 (장약량의 차이 외곽공=심발공의 30~40%) - 계측지점에 따른 진동치의 크기 : 5~10도 범위 상부가 가장 크게 발생 - 대책 : 심발공, 지발당 장약량, 선진도갱+방진공 (D105mm, 10m)
기본 사례 - 토피고에 의한 지반 침하와 터널의 안정성 문제 - 발파에 따른 진동 및 소음 발생 - 비산에 따른 손상 및 민원 발생, 지하수 유출에 의한 건물 피해. - 시험 시공에 따른 발파진동 확인. 진동 허용기준치 설정 0.5~1.2cm/s. 반복에 의한 피로여부 결정. - 인접구조물 영향여부 : 구조물의 발파진동에 대한 응답 검토 필요. 터널 to 터널의 경우 46cm/s 등의 큰 허용기준치. (지하구조물 7.5cm/s) - Type-I ~ Type-VI 의 표준발파패턴에 따른 진동허용기준 및 지발당 장약량 고려.
